Oszillographenröhre mit Laufzeit-Leitungen als Y-Platten

Wenn schnelle Vorgänge (d.h. hohe Frequenzen) mit einer Oszillographenröhre dargestellt werden sollen, macht sich die Flug-Geschwindigkeit der Elektronen bemerkbar.

Haben die Y-Platten die Länge L_y, so darf sich die Y-Spannung während der Zeit, in der die Elektronen die Strecke L_y zurücklegen, nur unmerklich ändern, damit die statische Empfindlichkeit [in Volt/cm] der Oszillographenröhre noch zutrifft. Angenommen, die Frequenz der Y-Spannung sei so hoch, daß diese während dieser Flugzeit eine volle Periode einer Sinusschwingung ausführt, so wird die Y-Ablenkung auf dem Schirm 0 sein.

Mathematisch erhält man für die Ablenkempfindlichkeit als Funktion der Frequenz (näherungsweise) einen sin(x)/x-Verlauf. [Hollmann, H.E.: Physik und Technik der ultrakurzen Wellen, Bd.2, Springer, 1936]

Erhöht man die Beschleunigungs-Spannung der Röhre, fliegen die Elektronen schneller und die Grenzfrequenz erhöht sich. Gleichzeitig wird aber eine höhere Y-Ablenkspannung benötigt, weil die Ablenkempfindlichkeit geringer wird.

Aus diesem Dilemma kommt man dadurch heraus, daß die Y-Ablenkplatten in einzelne Teile unterteilt werden und diese Teile mit Hilfe einer spiralförmig gewendelten Verzögerungs-Leitung mit einander verbunden werden. [In dieser Art gab es eine Oszillographenröhre von Tektronix in den '60er Jahren. Typ??]

Neuere Oszillographenröhren dieses Typus haben beide Y-Platten als (plattgedrückte) Verzögerungs-Leitung (Ablenk-Wendel) ausgebildet. [Bretting: Technische Röhren, Hüthig, 1991]

Damit ist es möglich, die Geschwindigkeit der auf dieser Wendel laufenden Welle an die Flug-Geschwindigkeit der Elektronen anzupassen. Der sin(x)/x Effekt bezieht sich da nur noch auf die Größe der Steigung der Wendel, wodurch die Grenzfrequenz entsprechend steigt. 

Eine Röhre, die solche Ablenk-Wendeln bestitzt, ist die HP5083-2052, die im Oszilloskop HP183A/B Verwendung findet. Das Schnittbild und die Anschlußbelegung dieser Röhre zeigt das nächste Bild.

Die Strahlgeschwindigkeit ist an die Laufzeit der Welle auf der Wendel angepaßt und beträgt 100ps pro Windung und 20ns gesamt. Die Wendeln sind mit je 165Ω abgeschlossen, da auf der Wendel keine stehende Welle entstehen darf. Die Y-Empfindlichkeit beträgt 3V/cm.

Die Röhre hat noch weitere Besonderheiten, wie z.B. eine "Flut-Katode", wie sie für Speicher-Röhren typisch ist.

Es folgen noch 3 Fotos, auf denen die Y-Wendeln zu erkennen sind.

 

 

Die Bezeichnung HP5083-2052 ist die "Stock Number". Ob die Röhre auch noch eine andere Typ-Bezeichnung hat, ist nicht bekannt.

01.01.2010 Link zu der Röhre nachgetragen. Graphik eingefügt.

MfG DR

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Vielen Dank Herr Rudolph

ja es ist richtig, dass auch Tektronix solche Röhren baute. Welche Typen (Oszi) dies waren, kann ich Ihnen leider nicht mitteilen. Aber diese Röhre wurde in einem damals sehr schnellen Digitizer eingesetzt. Diese Röhre hat noch weitere Besonderheiten. Um sehr schnelle einmalige Signale auch „speichern“ zu können, setzte Tek den „Bildschirm“in die Röhre ein und liess das gespeicherte Bild von der hinteren Seite des Schirms (knappe 18mm Durchmesser) mit einer Kameraröhre auslesen. Beide Systeme sind zu einem System zusammen gefasst.
Tek nannte es „dsitributed deflection“ und beschrieb es in diesem Buch hier ab Seite 30.

Die Tek's Artikelnummer für die Röhre ist: 154-0698-00. In der Zwischenzeit konnte ich mir einen R7912, der um diese Röhre aufgebaut ist, ergattern und aus einer anderen Quelle gleich eine neue Röhre dazu. Damit ist dann einmal die Zeit gekommen, dass ich mein Ausstellungsstück (defekt) irgendwie aus dem Glaskörper entnehmen möchte, um bessere Einsicht auf die Details zu erhalten.
Die Röhre wurde immer mit der magnetischen Abschirmung zusammen geliefert und der Glaskörper wurde beinahe deckend mit einer schwarzen Farbe abgedeckt. Auf Wunsch kann ich gerne neue Bilder von Ausschnitten der Röhre machen.
 

herzliche Grüsse

Pius

editiert: 7912 als Röhrenbezeichnung gelöscht.

 

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Die Ansteuerung der Y-Laufzeitwendel in der HP5083-2053 in den HP Oszilloskopen HP180 und HP183A/B geschieht unterschiedlich.

• HP180: Die Y-Platten (CTR Deflection Plates) bilden eine kapazitive Last für den Y-Verstärker. Der Y-Verstärker liefert ca. 2,1 mA Gleichstrom, der infolge der Beschaltung mit Dioden und Widerständen.
  Da die Dioden in Durchlaßrichtung gepolt sind, bilden sie einen Nebenschluß (shunted out) für die Wendel.
• HP183A/B: Der Vertikalverstärker ist über einen Spannungsfolger (Q₁) entkoppelt. Dieser liefert 100 mA Gleichstrom. Die beiden Dioden sind in Durchlaßrichtung gepolt wodurch die 165Ω Widerstände als Abschlußwiderstände wirken. Auf der anderen Seite ist die Wendel an die symmetrische 330Ω Leitung angepaßt.

Einen Schaltungsausschnitt des HP180 mit Details zur Ansteuerung der Oszillographenröhre zeigt das nächste Bild.

MfG DR

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Das instruktive Paper von Tektronix über die Funktion der Oszillographenröhren, speziell auch der Röhren mit Y-Platten als Laufzeit-Leitungen, stellt den technischen Stand der '60er Jahre dar. 

[http://www.radiomuseum.org/forumdata/users/4767/file/Tektronix_Cathode-Ray_Tubes.pdf]

Als Werkstudent im Fachpraktikum (1964) erhielt ich auf "Schrottschein" eine 13 cm (Raster 10 cm*6 cm) Tektronix Oszillographenröhre, die als Besonderheit segmentierte Y-Platten hatte und deren Segmente mit einer Spule unter einander verbunden waren. Weiterhin hatte die Röhre eine Nachbeschleunigungs-Wendel auf der Innenseite des Kolbens. Da bei der Überholung des Oszillographen auch der Kettenverstärker neue Röhren erhielt, bekam ich auch noch die ausgemusterten davon. Die Oszillographenröhre erhielt der Kollege an der FH DBP, der die Meßtechnik unterrichtete, als Demonstrationsobjekt für die Studenten.

Das faszinierende an besagter Oszillographenröhre (Typ vermutlich T581; Vielen Dank an Emilio Ciardiello für seine Ergänzungen! Dort sind auch noch weitere Typen benannt.) waren die segmentierten Y-Platten und die Verzögerungswendel, bei Tektronix mit "Distributed Deflection" bezeichnet. Bild 6-5 aus dem Paper zeigt zunächst die segmentierten Y-Platten im Prinzip. Tatsächlich wurden mehr als 3 Segmente verwendet.

Die Segmente werden mit Hilfe einer Verzögerungs-Spule (Delay Line) verbunden. Die Verzögerungs-Leitung entsteht im Zusammenwirken von (Teil-) Spule und (Teil-) Kapazität der Segmente der Y-Platten.

 

Durch die Segmentierung der Y-Platten und die Verzögerungs-Spule entsteht hier eine "Leitung" mit ca. 900Ω Wellenwiderstand, an die der Ausgangswiderstand des Y-Verstärkers angepaßt werden kann. Daurch sieht dieser eine ohmsche Last - im Gegensatz zu einer kapazitiven Last bei konventionellen Y-Platten. Somit erhöht sich die Grenzfrequenz der Verstärkung.

Entscheidend für die Grenzfrequenz der Röhre ist aber, daß durch die Verzögerungs-Leitung die Ausbreitungs-Geschwindigkeit des Y-Signals an die Flug-Geschwindigkeit der Elektronen angepaßt werden kann. Damit erhält ein fliegendes Elektron auf seinem Weg durch die Y-Platten stets die gleiche Ablenkspannung, was zu einer höheren Ablenkempfindlichkeit bei hohen Frequenzen und damit zu einer höheren Grenzfrequenz der Röhre führt.
Im Unterschied dazu würden sich bei nicht segmentierten Y-Platten bei hohen Frequenzen die Ablenkkräfte auf ein Elektron aufheben, wenn während seiner Flugzeit durch die Y-Platten die Y-Spannung eine volle Periode durchliefe.
[Das Tektronix Papier bringt hier noch eine Grafik mit Details, die für diese Röhren typisch waren.]

Die durch die Wendel und die segmentierten Ablenkplatten gebildte (künstliche) Leitung muß auf beiden Seiten mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen sein, damit keine Reflexionen entstehen.

Sowohl die damals verfügbaren Kettenverstärker als auch die Oszillographenröhren mit (symmetrischer) "Distributed Deflection" erreichten als Grenzfrequenzen etwas über 100 MHz. Das war in den '60ern schnell (und teuer).

Mußten schnellere Signale oszillographiert werden, gab es Spezial-Röhren mit einseitiger (single ended) Y-Laufzeitplatte.

Hier wurde das Signal ohne Y-Verstärker direkt an die Platten angeschlossen. Allerdings war nur eine der Y-Platten segmentiert und hatte eine Verzögerungswendel. Mit der Gleichspannung an der über C₁ geerdeten Y-Platte ließ sich die Position des Schirmbildes festlegen. Die verteilte Kapazität C₂ mußte vor dem Einbau in den Glaskolben einer Kalibrierung unterzogen werden.

Bei der Betrachung der Ablenkeinheit läßt sich erahnen, daß die Kalibrierung ein aufwändiger Prozeß war.

MfG DR

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